不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟

以安徽某煤矿倾角煤层采煤工作面的开采为工程背景,通过FLAC3D大型模拟软件对不同煤层倾角采煤工作面开采后采场围岩及顶底板矿压分布规律进行研究。研究结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响。倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般煤层工作面且采场顶板应力分布是不对称的。     

大倾角斜井煤柱综采支架选型分析

大倾角煤层开采后采场围岩矿压显现规律、顶板岩层变形、破坏和运动形式不同于近水平煤层。依据谢一矿4671B4大倾角综采工作面地质赋存条件,对该工作面支架的安全性进行了分析。现场监测表明:大倾角综采工作面地质条件确定的支架工作阻力,基本能够控制大倾角采场覆岩运动的矿压显现,满足工作面支架选型的安全性。并针对该工作面倾角较大的特点,提出预防工作面冒顶压架以及支架倒滑的技术措施,以期实现大倾角综采工作面的安全高效开采。     

大倾角大采高采场倾向梯阶结构演化及稳定性分析

以大倾角煤层长壁大采高采场为研究对象,运用数值模拟、相似材料模拟、现场实测和理论分析相结合的手段,揭示了大倾角大采高采场顶板结构形成与演化特征,分析了顶板结构与支架、煤壁及垮冒矸石的相互作用特征。结果表明:大倾角煤层大采高采场空间尺度较一般采高大倾角煤层采场大,垮落顶板向工作面倾斜下方滚、滑特征更为活跃,充填压实程度高,工作面倾斜中、上部顶板岩层破坏运动空间增大,易形成跨层位、大尺度、非对称的空间梯阶状岩层结构。其中,高位梯阶岩层结构周期性破坏具有强度大、步距小、周期短、有冲击性等特点,其对采场低层位岩层、支架和煤壁的稳定性有明显影响。该结构受到切向力和法向力共同作用,且具有拉伸、压剪和复合型失稳模式,易造成工作面倾斜上部支架受载多变、中上部高煤壁片帮。     

大倾角煤层长壁大采高综采支架动态载荷特征分析

针对大倾角煤层大采高工作面支架受载特征复杂、对工作面围岩稳定性控制影响大等问题。采用现场实测与理论分析相结合方法,研究了大倾角煤层大采高开采过程中,支架瞬态与长时载荷变化规律,结果表明:正常回采阶段与来压期间,工作面循环初期和循环末期支架载荷均呈现出倾斜中部较大、下部次之、上部最小的特征,工作面载荷分区特征更为明显,支架受载不均衡程度表现出后柱大于前柱、循环末期大于循环初期、来压期间大于正常回采阶段;与一般采高大倾角煤层工作面相比,支架受力多变程度明显增加,工作面倾斜上部区域尤为明显,初次来压与周期来压步距均明显减小,来压强度则明显增大,支架阻力整体增加。     

大倾角煤层开采覆岩空间倾斜砌体结构

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,采用相似材料模拟实验、数值模拟和理论分析综合方法,分析了采场顶板应力分布特征和变形破坏规律,认为大倾角煤层采场顶板破断后形成了倾斜砌体结构,该砌体结构以倾向堆砌和反倾向堆砌两种形式存在,且沿工作面走向和倾向均具有不同的分布特征,该结构的非均衡运动是导致"R-S-F"("顶板-支架-底板")系统失稳的主导影响因素,同时,该结构的运动形式亦受到上覆未垮岩层的变形破坏影响。倾斜砌体结构不仅是支护结构的施载体,也是"似壳结构"断裂失稳对工作面支护系统作用的传力媒介,对倾斜砌体结构的深入研究是探讨大倾角煤层采场"主承载结构"失稳致灾的关键。     

大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析

对支架的稳定性控制是大倾角大采高煤层安全、高效开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为研究背景,基于现场监测对覆岩破断运移规律和支架受载特征分析的基础上,通过理论分析系统研究了采高和工作面顶板运移对支架受载与失稳特征的影响。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,顶板运移的幅度和剧烈程度及支架工作阻力均较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,架间推压、咬挤现象明显;当工作面顶底板岩层稳定时,使支架保持不转动和下滑的临界工作阻力均不超过支架自重的2倍;但受工作面顶板运移影响,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其不会随着支架工作阻力的增大而消失;支架转动下滑的幅度和失稳概率随着支架工作阻力的减小、顶板与支架间摩擦力绝对值的增大、顶板载荷偏载程度的增大及采高的增大而增大,且其转动失稳的概率大于下滑失稳的概率。     

浅谈大倾角煤层工作面顶板事故的防治

在对淮南矿业集团大倾角煤层工作面1988—2002年间发生的顶板伤亡事故分析研究的基础上，阐述了大倾角煤层采场顶板事故类型、特点、原因及其预防措施。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

大倾角煤层大采高综采围岩运移与支架相互作用规律

为了研究大倾角厚煤层大采高综采围岩运移规律,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟实验相结合的方法,分析了大倾角大采高采场围岩运移、顶板结构和"支架-围岩"相互作用特征。结果表明:其采场围岩运移规律与一般采高大倾角煤层相似,具有明显非对称性;但大采高采场围岩的运移特征更为活跃,初次来压和周期性来压步距均明显减小,来压强度增大,并伴有煤壁片帮现象。采空区垮落顶板的滚滑、充填空间增大,破断基本顶易形成反倾向堆砌结构,工作面下部充填压实程度增加,导致工作面顶板受力非均衡性更明显,采场覆岩易形成多级梯阶岩体结构。顶板与支架的接触及施载特征更为复杂,支架载荷变化幅度增大,架间相互作用明显,工作面装备防倒、防滑难度加大。     

不稳定残余支承压力影响下沿空巷道围岩变形规律

由于采掘接替紧张,有的煤矿在上区段回采完毕后不待采空区顶板活动稳定即采取留小煤柱沿空掘巷。在不稳定残余支承压力影响下,巷道掘进期间即出现大变形,给巷道支护带来很大困难。对鲍店煤矿103下03工作面轨道顺槽不稳定残余支承压力影响下沿空掘巷的巷道表面位移、顶板离层和围岩深部位移的监测结果进行了分析,结果表明窄煤柱的变形没有导致悬臂梁的回转失稳,仍起到支撑悬臂梁的作用;窄煤柱塑性变形较大,导致回转岩块支撑点向实体煤壁移动,从而致使巷道实体帮变形加大;巷道上部老顶的稳定情况对巷道变形影响较大。     

断层对顶板型冲击矿压的影响

为了研究断层附近冲击矿压发生规律,必须了解断层附近顶板运动特征.本文分析了顶板运动对冲击矿压的作用,采用"砌体梁"理论研究了断层倾向对顶板平衡结构的影响.以济三煤矿6303面地质资料为背景,通过FLAC5.02D软件建立了相应的分析模型,模拟了煤层开采过程中断层对顶板运动的影响.结果表明:无论工作面是由断层下盘向断层推进,还是由断层上盘向断层推进,随着工作面距断层面距离的缩小,顶板稳定性变差.当工作面由断层下盘向断层推进时,在采动影响下断层易"活化",顶板岩体利用断裂结构面发生滑移、回转和破坏失稳,从而导致顶板型冲击矿压.当工作面从断层上盘向断层推进时,顶板岩体易于形成平衡结构,顶板下沉量较小,顶板运动较为平缓,断层冲击矿压的危险性就会小的多.通过对比分析,可确定当工作面从正断层下盘向断层推进时冲击矿压的危险性远高于工作面从上盘向断层推进时的危险性.     

工作面顶板灾害类型、监测与防治技术体系

长期以来顶板灾害在我国煤矿灾害事故中发生起数和死亡人数始终占据首位,是困扰煤矿安全生产的主要难题。笔者开展了顶板岩性、矿压显现特征和顶板灾害案例统计分析,结果表明:我国回采工作面顶板灾害主要表现为片帮冒顶、顶板大面积突然垮落和大面积切顶压架3种类型。系统分析了各类型顶板灾害的发生特点及致灾原因:片帮冒顶多发生于松软煤岩体,采煤方法不合理及管理不当的工作面;顶板大面积突然垮落一般为坚硬顶板大面积悬顶、瞬时垮落所致;大面积切顶压架主要发生在薄基岩浅埋深工作面或顶板累积下沉量大引起顶板在煤壁处断裂的工作面。针对我国顶板灾害监测与防治,建立了工作面顶板灾害全景监测预警技术架构,即采用微震监测系统监测远场顶板活动,采用矿压监测系统监测近场顶板运动,采用三维激光扫描技术监测煤壁片帮时空演化,通过监测数据系统分析,动态掌握采场围岩的活动规律和支架工况,实现顶板灾害监测预警。提出了工作面开采全过程的顶板灾害综合防治技术体系,在工作面开采前确定合理采煤方法,合理工作面布置方式,科学开采参数及优化设备选型配套,这是防治顶板灾害的核心技术;在开采过程中保持支架良好的工况辅以顶板弱化技术,进而实现工作面顶板灾害防治。     

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。     

急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采顶板和顶煤运移规律研究

在急倾斜煤层放顶煤开采过程中,顶煤和顶板的活动规律是非常复杂的。通过对顶煤和顶板的破坏和运移规律的研究,可有助于确定顶煤的可放性,控制工作面端面冒顶和煤壁片帮,确定合理的放煤参数;有利于进行急倾斜厚煤层顶板的合理维护以及掌握矿压规律,指导生产。就开滦集团赵各庄矿在急倾斜厚煤层采用水平分段开采过程中的现场观测,探讨顶煤和顶底板运移。     

大倾角大采高综采面倾向长度尺度效应分析

以大倾角大采高综采为背景,通过理论分析、相似模拟和现场实测,对大倾角大采高综采基于工作面倾向长度尺寸效应导致的围岩灾变机理进行了分析,研究认为大倾角煤层直接顶和基本顶运动的不协调性使得控顶难度加大,工作面直接顶沿倾向可分为充填稳定段、易溃屈段和滑移段结构,相应矿压显现特征则呈现典型的“弱-强-弱”分布,即溃屈段为矿压显现最强烈区域,也是影响矿压显现的主控因素,对于特定赋存条件大倾角煤层,其工作面长度存在“临界尺寸”,工作面支护强度的确定除满足直接顶岩层岩法向方向的自重和部分基本顶载荷外,还需满足上部直接顶滑移产生的附加载荷,其中阻止溃屈段顶板的离层是支护强度确定的主要依据。     

大角度俯采覆岩运动规律数值模拟

针对大倾角煤层俯采过程中覆岩运动所引发的支架倾倒、输送机下滑和顶板破碎等安全事故,以霍州煤电辛置煤矿10 428C工作面为例,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征。结果表明：大倾角俯采煤层顶板岩层无论沿工作面走向或倾向方向上,垂直应力等值线和位移等值线均呈现非对称拱形态。工作面下方支承压力和位移值普遍大于上方,岩层运动范围在中上部扩展较快。工作面顶板塑性破坏区向顶板发展,工作面下方顶板破坏范围明显增大。     

近浅埋煤层软岩条件下综采工作面顶板破断规律

为了研究软弱围岩条件下综采工作面顶板运移规律,依据现场工程地质特征,采用数值模拟、相似材料模拟对工作面破断过程进行了研究。通过相似模拟实验,确定了直接顶与老顶的构成和工作面来压步距,分析了近浅埋煤层软弱覆岩条件下矿压演化规律。通过数值模拟,分析了软弱覆岩条件下覆岩应力分布特点和支承压力特点,为工作面支架选型、现场工程管理提供依据。     

基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用“小拱小摆、大拱大摆”对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。     

放顶煤采场顶板运动规律的研究

利用离散元和有限元数值模拟及力学解析计算，分析了放顶煤采场中上覆岩层运动规律；认为采场上覆岩层运动为分层运动，运动结构为拱－梁结构；拱－梁转换的实现，是以拱顶的失稳升高为条件，在分析了影响顶板运动的主要因素（顶板岩层断裂角、放煤步距、顶板岩层块体尺寸、顶煤厚度）的基础上，认为放煤步距过大（≥２ｍ）会降低放煤率，增大老顶垮落的动压冲击程度。放顶煤工作面与非放顶煤工作面的区别是，采空区充填系数小，顶板岩层运动剧烈，走向方向超前支承应力峰值较大。